Chromatografia w życiu codziennym. Scenariusz eksperymentalnej

PRACE NAUKOWE Akademii im. Jana Długosza w Częstochowie
Seria: CHEMIA I OCHRONA ŚRODOWISKA
2008, XII, 145-153
Ewa Stronka-Lewkowska
Katedra Dydaktyki Chemii, Instytut Chemii, Uniwersytet Łódzki,
90-236 Łódź, ul. Pomorska 163, e-mail: [email protected]
Chromatografia w życiu codziennym.
Scenariusz eksperymentalnej lekcji chemii z zastosowaniem
substancji używanych w życiu codziennym
Streszczenie: Przedstawiono scenariusz lekcji dotyczącej praktycznego aspektu
chromatografii. Uczniowie będą mogli zapoznać się z chromatografią
kolumnową i cienkowarstwową. Zastosowanie chromatografii w życiu
codziennym (testy ciążowe, narkotykowe) będzie też na tej lekcji omawiane.
Scenariusz dotyczy lekcji w liceum z programem o zakresie rozszerzonym. Lekcja
taka powinna trwać dwie godziny. W scenariuszu wykorzystuje się wiadomości
wyniesione z gimnazjum oraz wcześniejszych lekcji z zakresu rozdziału
mieszanin. Na podstawie tego scenariusza realizowane są wymagania
egzaminacyjne z zakresu rozszerzonego.
Słowa kluczowe: barwnik, chromatografia cienkowarstwowa, chromatografia
kolumnowa
Chromatografia jest jedną z najważniejszych technik we współczesnej
chemii. Jest ona stosowana zarówno jako metoda analityczna służąca do
wykrywania i oznaczania substancji chemicznych, jak i jako metoda
preparatywna – do rozdziału mieszanin oraz oczyszczania związków
chemicznych. Nic więc dziwnego, że podstawy chromatografii znalazły swoje
miejsce w programie nauczania chemii w szkole średniej [1–3]. Programy te
wprowadzają pojęcie chromatografii, jej zastosowanie analityczne
i preparatywne, jej podział i oczywiście znaczenie w życiu codziennym.
Włączony jest także eksperyment szkolny w dziedzinie chromatografii zarówno
kolumnowej, jak i bibułowej czy cienkowarstwowej. Programy mają na celu
zapoznanie uczniów szkół średnich z tą techniką.
W niniejszym artykule chciałabym zaprezentować scenariusz
eksperymentalnej lekcji chemii na temat chromatografii. Wprowadzam do niej,
oprócz doświadczeń z dziedziny chromatografii o charakterze klasycznym, czyli
rozdziału ekstraktu z liści metodą chromatografii kolumnowej [4,6] oraz
chromatografii tuszu flamastra, [2,3,5] również zastosowania chromatografii
146
Ewa Stronka-Lewkowska
nieco bliższe życiu. Pierwszy eksperyment dotyczy chromatografii wody z kałuży
(z solą) na pasku materiału (np. dżinsu) i ma tłumaczyć, co dzieje się ze
spodniami każdego z nas po spacerze w czasie roztopów po zimie.
Wprowadziłam również eksperyment z zastosowaniem rutynowych testów
medycznych, takich jak test ciążowy, czy test na wykrywanie narkotyków w
moczu. W testach tych wykorzystuje się zjawisko chromatografii
cienkowarstwowej.
Opisywana scenariuszem lekcja była realizowana w części lub w całości
w różnych miejscach: na Festiwalu Kultury, Nauki i Techniki w Łodzi,
w Kolegium Nauczycielskim w Zgierzu, w liceach w ramach zajęć
pozalekcyjnych. Omawiana technika badawcza nie nastręczała uczniom zbyt
wielu problemów. Porównując między sobą wyniki eksperymentu, zrozumieli
oni, że precyzja w chemii jest niezbędna.
SCENARIUSZ LEKCJI
TEMAT: Chromatografia w życiu codziennym
Czas trwania zajęć 90 minut (2 godziny lekcyjne)
Celem ogólnym lekcji jest rozwijanie zainteresowania uczniów chromatografią,
jako jedną z metod rozdziału mieszanin, jej odmianami i szerokim
zastosowaniem w życiu codziennym.
Cele szczegółowe
Uczeń zna:
− pojęcie chromatografii
− zasady rozdziału mieszanin metodami chromatograficznymi
Uczeń nabywa umiejętności:
− przygotowania sprzętu do wykonywania doświadczeń
− obserwacji zachodzących zjawisk oraz wyciągania odpowiednich wniosków
− praktycznego wykorzystania chromatografii
− dobierania odpowiedniej metody chromatograficznej do rozdziału danej
mieszaniny
Uczeń:
− rozwija umiejętność bezpiecznego wykonywania doświadczeń i nabywa
zdolności odniesienia uzyskanych informacji do życia codziennego.
Metody: praktyczna – laboratoryjna, pokaz
Formy: doświadczenia, praca w grupach, pokaz
Chromatografia w życiu codziennym …
147
Środki dydaktyczne: odczynniki chemiczne, sprzęt laboratoryjny, foliogramy,
grafoskop, karty zadań, testy bezodczynnikowe zakupione w aptece.
Przebieg lekcji:
Część organizacyjna. Podział na grupy.
Podanie tematu lekcji.
Przedstawienie celów lekcji.
Rozdanie kart pracy (opisy doświadczeń).
Przeprowadzenie pokazu rozdziału barwników z liści metodą chromatografii
kolumnowej.
6. Praca w grupach. Chromatografia barwników tuszu flamastra na bibule.
7. Praca w grupach. Chromatografia wody z solą na pasku materiału
dżinsowego.
8. Wykorzystanie chromatografii bibułowej w testach sprawdzających
obecność hormonu hCG (testy ciążowe) i testach do wykrywania
kanabinoidów i ich metabolitów obecnych w moczu po użyciu marihuany
lub haszyszu (pokaz lub praca w grupach).
9. Zadanie pracy domowej. Ocena aktywności.
1.
2.
3.
4.
5.
CHROMATOGRAFIA KOLUMNOWA (POKAZ)
Chromatografia adsorpcyjna jest bardzo skuteczną metoda rozdzielania
mieszanin związków organicznych w wyniku wielokrotnych selektywnych
procesów adsorpcji zachodzących na aktywnych powierzchniach tzw.
adsorbentów.
Rozdzielanie barwników liści [4,6]
Doświadczenie to wykonywane jest w formie pokazu, ponieważ jego
przeprowadzenie wymaga wprawy i staranności. Warunkiem uzyskania
pozytywnych efektów jest bardzo dobre wysuszenie adsorbentów. Należy
zauważyć, że chromatografia powstała w Warszawie w wyniku rozdzielenia
wyciągów alkoholowych zielonych liści, czego dokonał rosyjski biolog Cwiet.
• Przygotowanie roztworu do podziału
Rozdrabniamy w moździerzu ok. 10 g bogatych w chlorofile młodych liści
pokrzyw zmieszanych z piaskiem. Mieszaninę zalewamy 50 cm3 acetonu. Całość
pozostawiamy na okres 1 godziny w ciemnym pomieszczeniu (pamiętając
o wstrząsaniu roztworu od czasu do czasu). Po godzinie roztwór należy
przesączyć.
148
Ewa Stronka-Lewkowska
{
warstwa
cukru pudru
warstwa
węglanu
wapnia
{
warstwa
tlenku glinu
{
żółtozielony chlorofil b
niebieskozielony chlorofil a
żółty ksantofil
pomarańczowy karoten
wata szklana
próżnia
pomarańczowy
roztwór karotenu
• Przygotowanie kolumny chromatograficznej
Stosujemy rurę szklaną o długości ok. 25 cm i średnicy do 15 mm, od dołu rurę
zatykamy korkiem, w którym znajduje się wywiercony otwór. Na dno rury
kładziemy warstwę waty szklanej, zapobiegającą wypadaniu adsorbenta. W
dalszej kolejności kładziemy 4 cm świeżo prażonego tlenku glinu, a następnie
warstwę 5 cm drobno rozdrobnionej kredy do pisania na tablicy. Kolejnym
i ostatnim etapem jest wypełnienie kolumny do wysokości 13 cm cukrem
pudrem.
Kolumnę chromatograficzną osadzamy w korku umieszczonym w kolbie
ssawkowej, którą łączymy z próżniową pompą wodną (zastosowanie pompy
próżniowej przyśpiesza eksperyment, nie jest jednak konieczne). Przez kolumnę
przepuszczamy 10 cm3 heksanu, a następnie nie wyłączając pompki próżniowej
badany roztwór (Uwagi: Roztwór nie może być zbyt stężony i należy uważać aby
nie wlać zbyt dużo roztworu).
Chromatografia w życiu codziennym …
149
Obserwacje: Na kolumnie pojawiają się różnie zabarwione warstwy. Natomiast
do kolby ssawkowej przechodzi roztwór o kolorze innym niż roztwór badany.
Na zakończenie przemywamy kolumnę 15 cm3 roztworu heksanu. W kolumnie
pojawiają się 3 lub 4 barwne warstwy; górna żółtozielona zawiera chlorofil b,
druga niebieskozielona zawiera chlorofil a. W warstwie chlorku glinu
zaadsorbowany jest żółty ksantofil.
CHROMATOGRAFIA BIBUŁOWA (PRACA W GRUPACH)
Chromatografia barwników tuszu flamastra na ściereczkach
bawełnianych i paskach bibuły [2,4]
Na białej ściereczce bawełnianej na wysokości 20 cm od jej dolnej
krawędzi umieszczamy kilka kolorowych plam o średnicy ok. 2 cm (tusz
z flamastra) - kolory: brązowy, niebieski, czerwony, czarny. Następnie dolną
krawędź ściereczki zanurzamy w naczyniu odpowiedniej wielkości,
wypełnionym bezbarwnym denaturatem. Rozpuszczalnik wędruje powoli w
górę, rozwijając chromatogram. Dla porównania wykonujemy linie w tych
samych kolorach na pojedynczych paskach bibuły, a następnie umieszczamy te
paski w cylindrze, w którym znajduje się ocet (ok. 5 cm).
ołówek
ołówek
pasek
bibuły
pasek
bibuły
barwna
linia linia
barwna
ocet
ocet
Obserwacje: Na ściereczce po upływie ok. 1 godziny obserwujemy barwne
plamy rozdzielonych barwników wchodzących w skład tuszu użytych
flamastrów, ten sam efekt osiągamy jednak znacznie szybciej na paskach bibuły.
Niestety, uzyskany chromatogram nie zniesie dobrze konfrontacji ze środkami
piorącymi, zawartymi w wybielaczach.
150
Ewa Stronka-Lewkowska
Chromatografia wody z kałuży (z solą) na pasku materiału
Czy biały pasek pojawiający się na dżinsowych spodniach podczas zimowej
pluchy jest związany z chromatografią? Jak najbardziej!
Wykonanie doświadczenia:
Pasek materiau dopasowany do wielkości zlewki zanurzamy do wysokości
ok. 5 cm.
ołówek
ołówek
pasekmateriału
materiału
pasek
zlewka
zlewka
brudna
soli
brudnawoda
wodaz 3złyżeczkami
3-ma łyżeczkami
soli
Obserwacje: Po nasiąknięciu do ½ długości paska materiału należy go wyjąć
i wysuszyć. Na wysuszonym materiale pojawia się biały pasek soli.
Wykorzystanie chromatografii bibułowej w testach bezodczynnikowych
• Test ciążowy
1. Pobrać próbkę moczu (lub innej badanej substancji w celu pokazania, jak
wygląda wynik nieważny) do czystego suchego pojemnika.
2. Badany roztwór umieścić w okrągłym okienku na kasetce testu.
3. Wynik można odczytać po 3 minutach.
Chromatografia w życiu codziennym …
151
Odczyt wyników testu
Wynik pozytywny
C
C linia kontrolna
Wynik negatywny
C
(niebieska)
T
T linia testowa
Brak wyniku
linia kontrolna
(niebieska)
T
C
C linia kontrolna
T
T linia testowa
(brak linii)
(brak linii)
(czerwona)
Pojawiają się dwie linie:
niebieska linia C
różowa linia T
Wynik testu jest pozytywny, wskazuje na prawdopodobną ciążę
Mocz zawiera hormon hCG.
Pojawia
linia C
się
niebieska Test jest nieważny
Wynik testu jest negatywny i wskazuje brak
ciąży; lub stężenie hormonu w moczu jest zbyt
niskie do wykrycia
W doświadczeniu wykorzystałam test ciążowy QuickVue Bluetest. Cena około
12 zł.
• Test paskowy do wykrywania kanabinoidów i ich metabolitów (THC)
obecnych w moczu po użyciu marihuany lub haszyszu
Marihuana jest środkiem halucynogennym otrzymywanym z młodych
liści i kwitnących części roślin zwanych konopiami indyjskimi. Haszysz jest
żywicą zbieraną ze szczytów roślin konopi o kwiatostanach żeńskich.
Kanabinoidy są stosowane w terapii ostrej jaskry i nudności
wywołanych chemioterapią. Większe dawki powodują u osób uzależnionych
zaburzenia centralnego układu nerwowego, zmienny nastrój, barak koordynacji,
osłabioną pamięć krótkotrwałą, niepokój, paranoję, depresję, dezorientację,
halucynacje i przyśpieszone bicie serca.
Po zażyciu marihuany czy haszyszu głównym produktem przemiany,
która odbywa się w wątrobie, są kanabinoidy zawierające głównie metabolit
karboksylowy (THC). THC utrzymuje się w organizmie człowieka na poziomie
wykrywalnym przez 3 do 10 dni.
W doświadczeniu zostanie wykorzystany: THC Strip test paskowy o czułości 50
ng/ml. W sprzedaży dostępny jest również THC Strip do wykrywania
amfetaminy.
Cena około 11 zł.
152
Ewa Stronka-Lewkowska
1. Pasek testowy zanurzyć w badanym moczu (lub innym roztworze w celu
pokazania, jak wygląda wynik nieważny) do odpowiedniej głębokości – tylko
do linii MAX.
2. Po upływie 10 do 15 sekund wyjąć pasek testowy z badanego roztworu
i umieścić go na poziomej powierzchni.
3. Wynik testu odczytać po upływie 5 minut od momentu zanurzenia paska
testowego w roztworze.
Odczyt wyników testu
C
C
C
T
T
T
Max
↑
Pojawiają
się
dwa
barwne paski w strefie
kontrolnej C i T. W
badanym moczu nie
stwierdza się obecności
narkotyku
Max
↑
Pojawia się tylko jeden
barwny pasek w strefie
kontrolnej
C.
W
badanym
moczu
stwierdza się obecność
narkotyku.
Max
↑
Test został wykonany
nieprawidłowo; brak
barwnych
pasków
w strefach
kontrolnych.
W aptekach dostępne są również inne testy wykorzystujące chromatografię,
między innymi test na wykrywanie wirusa HIV 1 i 2.
Test HIV 1 i 2. Cena około 23 zł. Badanym roztworem jest krew.
Praca domowa:
Dokładny opis wykonanych doświadczeń uwzględniający obserwacje i wnioski.
Uzupełnienie kart pracy rozdanych na początku lekcji.
Chromatografia w życiu codziennym …
153
Podsumowanie
Przedstawiony scenariusz lekcji chemii będzie pomocny w praktycznym
realizowaniu zagadnień związanych z chromatografią. Zarówno wykonanie
chromatografii kolumnowej na przykładzie rozdziału barwników liści, jak też
wykorzystanie chromatografii bibułowej w rozdziale barwników tuszu flamastra
oraz testach bezodczynnikowych przybliżą uczniom możliwości zastosowań
technik chromatograficznych.
Literatura
1. S. Hejwowska, R. Marcinkowski, Chemia 1. Chemia ogólna i nieorganiczna, Operon
Wydawnictwo Pedagogiczne, Gdynia 2003.
2. S. Hejwowska, R. Marcinkowski, Chemia. Program nauczania dla liceum
ogólnokształcącego (w zakresach podstawowym i rozszerzonym), liceum
profilowanego i technikum (w zakresie podstawowym), Wydawnictwo
Pedagogiczne, Gdynia 2003.
3. W. Kamysz, A. Florek, Chemia w Szkole, LI(4), 41–46 (2005).
4. P. Leszczyński, Kurier Chemiczny, III(3), 1–7 (1993).
5. W. Kamysz, Chemia w Szkole, LI(4), 29–32 (2005).
6. Z. Jerzmanowska, Preparatyka organicznych związków chemicznych, PZWL,
Warszawa 1972.
Ewa Stronka-Lewkowska
Chromatography In everyday life.
Scenario of experimental chemistry lessons on substances
used in everyday life
Abstract: In this paper, the scenario of the lesson concerning the practical view
on chromatography is presented. Students will be able to familiarize with the
column and thin layer chromatography. The applications of chromatography in
everyday life (pregnancy tests, drug tests) will also be discussed during the
class. The scenario of a lesson concerns a class in a secondary school at the
extended program level. Such a class should last two hours. In this scenario,
knowledge taken from a junior secondary school is assumed as well as the
knowledge about separation of mixtures taken from previous lessons. On the
basis of this scenario, exam requirements at the extended program level are
fulfilled.
Keywords: column chromatography, dye, thin layer chromatography